-
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit mindestens einem Sammlerrohr und mehreren in das Sammlerrohr einmündenden Wärmeübertragerrohren. Gattungsgemäße Wärmeübertrager werden beispielsweise als Gaskühler in Hochdruck-Kältemittelkreisläufen mit Kohlendioxid, R744, als Kältemittel eingesetzt. Derartige Kältemittelkreisläufe enthalten in der Regel auch einen Kältemittelakkumulator und einen Trockner für das Kältemittel. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers.
-
Hochdruck-Kältemittelkreisläufe finden Anwendung, beispielsweise in R744-Wärmepumpen oder auch für die automobile Klimatisierung. In diesen Kreisläufen werden Kältemittelakkumulatoren eingesetzt, in welche die Komponente des Trockners für das Kältemittel integriert ist. Damit ist das Aufnahmevolumen des Akkumulators verringert, was sich nachteilig auf die Gesamtkältemittelfüllmenge des Kreislaufes auswirkt.
-
Im Stand der Technik werden für Gaskühler in diesen Anlagen einteilige Sammlerrohre eingesetzt. Diese Sammlerrohre sind in ihrer Form für höchste Druckfestigkeit optimiert. Die Form der Sammlerrohre ist somit zumeist zylindrisch und im Querschnitt rund oder oval. Für Hochdruck-Kältemittelwärmeübertrager werden häufig Flachrohre, sogenannte Multiport-Tubes mit mehreren dünnen Fluidkanälen als Wärmeübertragerrohre eingesetzt, welche in das Sammlerrohr einmünden.
-
Die Hochdruck-Kältemittelwärmeübertrager müssen im Betrieb einem Druck von circa 130 bar widerstehen und es werden an diese Komponenten aus Sicherheitsgründen Berstdruckanforderungen von 330 bar gestellt. Die im Stand der Technik verwendeten zylindrischen Rohre mit rundem oder ovalem Querschnitt haben eine in Bezug auf ihre Druckfestigkeit bereits optimierte Form. Bei der Fertigung der Wärmeübertrager werden in die Sammlerrohre Aussparungen für die Flachrohre gestanzt und die Flachrohre werden dann nachfolgend in diese Aussparungen eingeführt und mit dem Sammlerrohr verlötet. Der innere Durchmesser der Sammlerrohre ist größer als die Breite des Flachrohres, da dieses ganz vom Sammlerrohr aufgenommen wird. Das innere Volumen eines Hochdruck-Kältemittelwärmeübertragers wird bei dieser Konstruktionsform maßgeblich durch die Breite des Flachrohres und das damit verbundene innere Volumen des Sammlerrohrs bestimmt.
-
Die maximale spezifische Füllmenge eines R744 Kältemittelkreislaufs eines automobilen Klimaanlagensystems ist aus Sicherheitsgründen mit 250 g/l (Gramm pro Liter) bezogen auf das innere Volumen der Kälteanlage definiert. Bei ruhendem System beziehungsweise ausgeschalteter Klimaanlage und einer Temperatur über der kritischen Temperatur von 31°C liegt die maximale spezifische Füllmenge bei 250 g/l in allen Komponenten vor. Im Kälteanlagenbetrieb stellen sich jedoch im System naturgemäß unterschiedliche Drücke in den jeweiligen Komponenten ein. Im Gaskühler hat das Kältemittel einen hohen Druck und eine sehr hohe Dichte. Es stellen sich dabei spezifische Dichten im Gaskühler und im inneren Wärmeübertrager von bis zu 1000 g/l ein. Auf der Niederdruckseite stellt sich demgegenüber eine spezifische Dichte von zirka 70 g/l ein.
-
Aus der
WO 2008/048251 A2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergleichmäßigung der Verteilung eines Fluids in Wärmeübertragern bekannt, bei welcher über ein in das Sammlerrohr eingefügtes Element mit einer bestimmten Form das innere Volumen des Sammlerrohres verringert und gleichzeitig die Verteilung des Fluids im Sammlerohr verbessert wird, wobei je nach Ausgestaltung des eingefügten Elementes weiterhin ein Drosselungseffekt für das Fluid erzielt werden kann.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Reduktion des inneren Hochdruckvolumens des Wärmeübertragers zu erreichen, ohne die Druckfestigkeit der Gesamtkonstruktion des Wärmeübertragers zu reduzieren. Weiterhin besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Verbesserung der Effizienz des Kältemittelkreislaufes zu erreichen, ohne das Volumen und damit den Bauraum der Kältemittelkomponenten zu erhöhen. Auch ist es Aufgabe der Erfindung mit einer einfachen konstruktiven und kostengünstigen Lösung einen verbesserten Wärmeübertrager zur Verfügung zu stellen.
-
Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Die Aufgabe wird insbesondere durch einen Wärmeübertrager mit mindestens einem Sammlerrohr und mehreren in das Sammlerrohr einmündenden Wärmeübertragerrohren gelöst, wobei im Sammlerrohr ein Verdrängungselement zur Reduzierung des inneren Volumens des Sammlerrohres angeordnet ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungselement als Trockner ausgebildet ist. Damit ist die Komponente des Trockners in das Sammlerohr des Wärmeübertragers integriert. Es werden dadurch zwei Vorteile gleichzeitig erreicht. Zum Einen wird das Volumen des Sammlerrohres reduziert ohne die Funktion zu beeinträchtigen und zum Anderen wird das Volumen der Komponente für die Funktion des Trockners genutzt, so dass dieses Volumen im Akkumulator des Kältekreislaufes eingespart werden kann. Es ergibt sich somit ein doppelter Nutzen für das Design und die Effizienz des Kreislaufes.
-
Die Konzeption der Erfindung besteht somit darin, dass eine Erhöhung des inneren Volumens des Kältemittelakkumulators erreicht werden kann, indem das Volumen der Komponente des Trockners aus dem inneren Volumen des Kältemittelakkumulators verlegt wird. Das Volumen des Trockners wird in das Sammlerrohr des Gaskühlers, einem Hochdruckwärmeübertrager, verlegt und führt damit zu einer Reduktion des inneren Hochdruckvolumens des Wärmeübertragers, ohne die Druckfestigkeit der Gesamtkonstruktion des Wärmeübertragers zu reduzieren.
-
Bevorzugt sind die Wärmeübertragerrohre als Mehrkanal-Flachrohre ausgebildet, wodurch eine hervorragende Eignung des Wärmeübertragers als Gaskühler in Hochdruckkältemittelanlagen erreicht werden kann. Das Sammlerrohr weist deshalb bevorzugt eine zylindrische Form mit rundem oder ovalem Querschnitt auf.
-
Besonders bevorzugt ist das Sammlerrohr als einteiliges Sammlerrohr ausgebildet, um wiederum insbesondere für Hochdruckkältemittelanwendungen möglichst wenige Schwachstellen hinsichtlich der Druckfestigkeit zu bieten.
-
Eine vorteilhafte Alternative zu vorgenanntem Konstruktionsprinzip besteht darin, dass das Sammlerrohr mindestens zweiteilig ausgebildet ist, wobei ein Anschlussteil zur Aufnahme der Wärmeübertragerrohre und ein Funktionsteil zur Aufnahme des Verdrängungselementes ausgebildet sind. Anschlussteil und Funktionsteil sind miteinander zur Bildung des Sammlerrohres eines Hochdruckkältemittelwärmeübertragers druckfest verbunden, beispielsweise durch Schweißen oder Löten.
-
Vorteilhaft sind das Anschlussteil und das Funktionsteil des Sammlerrohres aus zwei Kreiszylindern mit gleichem Durchmesser ausgebildet. Die beiden Teile überlappen sich in ihrem Querschnitt in einem Kreissektor, wobei im Funktionsteil der Trockner und im Anschlussteil die Aufnahme für die Mehrkanalflachrohre angeordnet sind.
-
Wiederum alternativ dazu weisen das Anschlussteil und das Funktionsteil vorteilhaft eine halbzylindrische Form auf, deren zueinander gerichteten Enden tangential verlängert sind, wobei sich die tangentialen Enden überlappen und im Überlappungsbereich miteinander verbunden sind.
-
Besonders bevorzugt ist der Trockner aus mehreren zylinderförmigen Elementen ausgebildet, welche überwiegend das innere Volumen des Funktionsteiles einnehmen. Damit wird das Bauvolumen der Komponente Trockner des Kältemittelkreislaufes zumindest teilweise bis vollständig in das innere Volumen des Sammlerrohres des Gaskühlers integriert.
-
Der Trockner ist bevorzugt als Hohlzylinder und insbesondere als Aluminiumhohlzylinder ausgebildet. In diesem Hohlzylinder ist das Trockenmittel selbst für die Aufnahme von Feuchtigkeit aus dem Kältemittel angeordnet.
-
Ganz besonders vorteilhaft wird das im Sammlerrohr angeordnete Verdrängungselement als Stützdorn, englisch: mandril, für die Fertigung von Einmündungen in das Sammlerrohr ausgebildet. Damit kann das Verdrängungselement vorteilhaft mit einer Doppelfunktion während der Montage und Fertigung als Stützdorn mit zusätzlichen Nutzen und vorteilhafter Einbindung in den Fertigungsablauf genutzt werden. Die Umsetzung der Konzeption der Erfindung besteht somit auch darin, dass durch die Einbringung der Komponente des Trockners als Verdrängungselement vor dem Löten des Wärmeübertragers das Design des Sammlers mit Bezug auf die Berstdruckfestigkeit nicht verändert wird, aber durch das Verdrängungselement eine Reduktion des inneren Volumens des Wärmeübertragers und damit des gesamten Kältemittelkreislaufs mit allen positiven Folgen erreicht werden kann. Besonders vorteilhaft ist hervorzuheben, dass die Reduktion des inneren Volumens keinen Einfluss auf die bewährte Konstruktion des Hochdruckkältemittelwärmeübertragers hat. Im Ergebnis kann das Akkumulatorvolumen in erfindungsgemäß modifizierten Kältemittelanlagen reduziert werden.
-
Weiterhin ist die Reduktion der Füllmenge des Gesamtsystems ein sehr vorteilhafter ökonomischer und ökologischer sowie sicherheitstechnischer Aspekt beim Einsatz der erfindungsgemäßen Wärmeübertrager. Weiterhin wird durch die Reduktion des inneren Volumens auf der Hochdruckseite die Systemvorgabe von 250 g/l Kältemittel eingehalten. Besonders hervorzuheben ist die einfache Fertigung der Komponenten in Standardprozessen. Explizit ist die Mehrfachfunktion des Trockners zur Trocknung des Kältemittels im Kreislauf sowie als volumenreduzierendes Element im Sammlerrohr und gleichzeitiges integriertes Hilfsmittel im Rahmen des Fertigungsprozesses des Wärmeübertragers hervorzuheben. Der Fertigungsprozess und Fertigungsablauf bei der Schaffung der Ausnehmungen für die Wärmeübertragerrohre im Sammlerrohr wird durch den als Stützdorn ausgeführten Trockner sogar vereinfacht und damit verbessert.
-
Das Verdrängungselement ist bevorzugt als zylinderförmiger Hohlkörper, als Halbzylinder oder als Vollzylinder ausgebildet. Hinsichtlich der Belastbarkeit des Materials des Verdrängungselements ist von Vorteil, dieses aus Aluminium zu fertigen, da Aluminium beispielsweise für R744 als Hochdruckkältemittel besonders geeignet ist und zudem ein sehr leichtes Material mit Blick auf das Gewicht von Komponenten in der automobilen Klimatisierung vorteilhaft gering ist.
-
Das Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers nach einem der voranstehenden Ansprüche enthält folgende Verfahrensschritte:
- – Einführen des Verdrängungselements als Stützdorn in das Sammlerrohr
- – Fixieren des Sammlerrohrs mittels des Stützdorns
- – Einbringung von Ausnehmungen in die Wandung des Sammlerrohrs für die Aufnahme der Wärmeübertragerrohre
- – Einführen der Wärmeübertragerrohre in die Ausnehmungen des Sammlerrohrs, und Montage von Trennwänden und Endkappen
- – Verlöten der Wärmeübertragerrohre, der Trennwände und Endkappen mit dem Sammlerrohr,
- – wobei der Stützdorn als Verdrängungselement im Sammlerrohr verbleibt.
-
Bevorzugt werden die Wandungen des Sammlerrohres mit den Ausnehmungen für die Wärmeübertragerrohre durch Stanzen kostengünstig geschaffen.
-
In besonders vorteilhafter Weise ist der Wärmeübertrager für die Verwendung als Gaskühler in einem Hochdruck-Kältemittelkreislauf mit R744 als Kältemittel einsetzbar.
-
Es hat sich zusätzlich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die Erhöhung des inneren Volumens des Akkumulators einen positiven Effekt auf die Reduzierung der Gesamtkältemittelfüllmenge des Kreislaufes hat. Somit führt eine Verlegung des Trockners aus dem Akkumulator in das Sammlerrohr zur möglichen Reduzierung der Gesamtkältemittelfüllmenge des Kreislaufes.
-
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
-
1: Hochdruckkältemittel-Wärmeübertragerdetail mit Sammlerrohr und Mehrkanal-Flachrohr in Schnittdarstellung gemäß dem Stand der Technik,
-
2: Wärmeübertragerdetail in Schnittdarstellung mit Verdrängungselement,
-
3: Längsschnittdetail eines Wärmeübertragers,
-
4: Hochdruckkältemittel-Wärmeübertragerdetail mit Sammlerrohr und Mehrkanalflachrohr und Trockner in Schnittdarstellung,
-
5: Wärmeübertragerdetail in Schnittdarstellung mit zweiteiligem Sammlerrohr mit verstärkter Wandung und
-
6: Wärmeübertragerdetail in Schnittdarstellung mit zweiteiligem Sammlerrohr in überlappender Halbzylinderbauweise.
-
In 1 ist ein Wärmeübertrager gemäß dem Stand der Technik in dem die Erfindung betreffenden Detailbereich dargestellt. Dabei sind in der Draufsicht das Sammlerrohr 2 und das Wärmeübertragerrohr 1 als Mehrkanal-Flachrohr dargestellt. Das Mehrkanal-Flachrohr 1 ist bis fast zur Mitte in das Sammlerrohr 2 eingeschoben und der Endbereich des Mehrkanal-Flachrohres 1 wird ganz vom Sammlerrohr 2 aufgenommen. Das Ende des Mehrkanal-Flachrohres 1 wird dabei gänzlich vom Sammlerrohr 2 umschlossen. Alternativ wird die frontseitige seitliche Wandung des Mehrkanal-Flachrohres 1 mit der Wandung des Sammlerohres 2 verlötet.
-
In 2 ist im Unterschied zur Darstellung gemäß 1 ein Verdrängungselement 3 in das Sammlerrohr 2 eingeführt und das Mehrkanal-Flachrohr 1 reicht fast bis an dieses heran. Das Volumen des Verdrängungselementes 3 reduziert das innere Volumen des Sammlerohrres 2 und reduziert damit das Volumen des Kältekreislaufes in dem kritischen Hochdruckbereich.
-
In 3 ist ein Längsschnitt eines Sammlerohrs 2 mit einem darin angeordneten Verdrängungselement 3 sowie den beidseitigen Endkappen 4 dargestellt. Die Mehrkanal-Flachrohre 1 sind in regelmäßigen Abständen durch Ausnehmungen in das Sammlerrohr 2 eingebracht und mit diesem verlötet.
-
Das einteilige Sammlerrohr 2 ist aus einem geschweißten Rohr gefertigt, in welches die Ausnehmungen für die Aufnahme des Mehrkanal-Flachrohres 1 eingestanzt werden. Als Stützdorn für den Stanzprozess zur Verhinderung der Deformation des Rohres wird vorteilhaft das Verdrängungselement 3 benutzt, welches nach dem Stanzen im Sammlerrohr 2 verbleibt. Das Verdrängungselement wird als Aluminiumrohr beziehungsweise als Aluminiumhohlkörper oder der Aluminiumvollzylinder gemeinsam mit gegebenenfalls den Trennwänden und Endkappen 4 des Sammlerrohres 2 während des Lötprozesses verbunden. Somit dient der im Sammlerrohr 2 angeordnete Aluminiumzylinder nicht nur als Verdrängungselement 3 sondern auch als Stützdorn während des Stanzprozesses, welcher nach dem Fertigungsprozess im Sammlerrohr 2 verbleibt.
-
In 4 ist ein Wärmeübertrager in dem die Erfindung betreffenden Detailbereich dargestellt. Dabei ist in der Draufsicht das Sammlerrohr 2 und das Wärmeübertragerrohr 1 als Mehrkanalflachrohr 1 dargestellt. Das Mehrkanalflachrohr 1 ist bis fast zur Mitte in das Sammlerrohr 2 eingeschoben und der Endbereich des Mehrkanalflachrohres 1 wird ganz vom Sammlerrohr 2 aufgenommen. Das Ende des Mehrkanalflachrohres 1 wird dabei gänzlich vom Sammlerrohr 2 umschlossen. Das Sammlerrohr 2 ist dabei zweiteilig ausgebildet. Das Anschlussteil 8 nimmt die Mehrkanalflachrohre 1 auf und im Funktionsteil 4 ist das Verdrängungselement 3, als Trockner 5 mit dem Trockenmittel ausgeführt, angeordnet. In der dargestellten Ausgestaltung sind Anschlussteil 8 und Funktionsteil 9 als Hohlzylinder mit kreisförmigem Querschnitt ausgeführt, welche sich in einem Kreissektor überlappen. In diesem Überlappungsbereich ist die Verbindung zwischen den Teilen des Sammlerrohres 2 ausgeführt, über welche das Kältemittel vom Anschlussteil 8 in das Funktionsteil 9 gelangt.
-
In 5 und 6 sind im Unterschied zur Darstellung gemäß 4 zweiteilige Sammlerrohre 2 dargestellt, die aus verschieden dimensionierten Anschlussteilen 8 und Funktionsteilen 9 aufgebaut sind.
-
In 5 ist das Funktionsteil 9 mit verstärkter Wandung über einen Kreissektor von zirka 200° ausgeführt. Das Funktionsteil 9 endet beidseitig und stirnseitig am Mehrkanalflachrohr 1. Das Anschlussteil 8 überlappt das Funktionsteil 9 in jeweils einem Bereich von 30° und es ist bei dieser Ausgestaltung von einer besonders hohen Berstdrucksicherheit auszugehen.
-
In 6 ist eine Ausgestaltung gezeigt, bei welcher das Funktionsteil 9 und das Anschlussteil 8 jeweils als Halbzylinder ausgeführt sind. Die Halbzylinder sind an ihren Enden 6 und 7 tangential verlängert. Die beiden tangentialen verlängerten Enden 6 und 7 überlappen sich und sind in diesem Überlappungsbereich miteinander verbunden. Im dargestellten Beispiel wird das Funktionsteil 9 vom Anschlussteil 3 aufgenommen. Der Außendurchmesser des Funktionsteiles 9 entspricht somit dem Innendurchmesser des Anschlussteiles 8.
-
Zusammengefasst bestehen die Vorteile der Erfindung darin, dass das innere Volumen der Komponenten des Kältemittelkreislaufes auf der Hochdruckseite auf ein Minimum reduziert oder das Volumen auf der Niederdruckseite stark erhöht werden kann, um die maximale spezifische Füllmenge von 250 g/l nicht zu überschreiten. Die Verringerung des inneren Volumens auf der Hochdruckseite ist besonders vorteilhaft, da als zusätzlicher Vorteil dieser Ausgestaltung die Kältemittelmenge im Kreislauf zusätzlich reduziert werden kann. Die Verringerung des inneren Volumens des Sammlerrohres wurde erreicht durch die Verlegung des Volumens des Trockners in das Sammlerrohr hinein. Die Umsetzung des Verfahrens zur Herstellung besteht somit darin, dass durch die Einbringung der Komponente des Trockners als Verdrängungselement vor dem Löten des Wärmeübertragers das Design des Sammlers mit Bezug auf die Berstdruckfestigkeit nicht verändert wird, aber zusätzlich durch das Verdrängungselement eine Reduktion des inneren Volumens des Wärmeübertragers und damit des gesamten Kältemittelkreislaufs mit allen positiven Folgen erreicht werden kann. Besonders vorteilhaft ist hervorzuheben, dass die Reduktion des inneren Volumens keinen Einfluss auf die bewährte Konstruktion des Hochdruckkältemittelwärmeübertragers hat. Im Ergebnis kann das Akkumulatorvolumen in erfindungsgemäß modifizierten Kältemittelanlagen reduziert werden. Weiterhin ist die Reduktion der Füllmenge des Gesamtsystems ein sehr vorteilhafter ökonomischer und ökologischer sowie sicherheitstechnischer Aspekt beim Einsatz der erfindungsgemäßen Wärmeübertrager. Weiterhin wird durch die Reduktion des inneren Volumens auf der Hochdruckseite die Systemvorgabe von 250 g/l Kältemittel eingehalten.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wärmeübertragerrohr, Mehrkanalflachrohr
- 2
- Sammlerrohr
- 3
- Verdrängungselement
- 4
- Endkappe
- 5
- Trockner
- 6
- tangentiales Ende des Halbzylinders
- 7
- tangentiales Ende des Halbzylinders
- 8
- Anschlussteil
- 9
- Funktionsteil
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
